建筑钢结构焊接裂纹产生原因及防止措施探究

2016-02-18胡刚江苏万年达杭萧钢构有限公司江苏连云港222500

中国房地产业 2016年23期

文/胡刚江苏万年达杭萧钢构有限公司江苏连云港 222500

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在建筑行业快速发展的同时，由于钢结构具有抗震性能好、建设周期短、节约能源、绿色环保等特点，更能够满足现代社会对建筑业的发展需求，因而逐步应用于建筑行业，并成为行业发展的趋势之一。本文在阐述建筑钢结构焊接难点基础上，分析了钢结构焊接裂纹的产生及原因，提出了几点应对措施，希望对我国建筑行业钢结构应用与发展有借鉴作用。

钢结构焊接；裂纹；原因；预防措施

近年来，随着社会经济的快速发展，我国建筑行业发展取得了显著成果，行业竞争也日益加剧。钢结构的应用，是对我国以钢筋混凝土结构为主的建筑业的一次重大突破，对提高建筑工程质量具有非常重要的保障意义。但必须要注意的是，在建筑施工中，钢结构焊接问题是影响项目质量的重要因素之一。

1、建筑钢结构焊接要点分析

建筑钢结构焊接具有以下三个特点：（1）各构件间连接节点由于形状比较复杂、焊接密集，因此使得焊接接头有较大的刚性约束，焊缝自由收缩的难度加大了，出现双向与三向应力，从而使得焊接接头存在出现裂纹与层状撕裂潜在隐患[1]。（2）从材质方面来讲，钢结构原材料以低合金高强度钢材为主。、由于低合金高强度钢材含有较高的合金元素，焊接性不好，钢材极易出现淬硬，而且对裂纹与氢脆非常敏感，在焊接过程中极易造成延迟裂纹。（3）建筑施工现场的构件组焊工作，大都属于高空焊接作业，操作难度比较大。

2、建筑钢结构焊接裂纹判断与产生机理分析

在建筑施工中，进行高空钢结构焊接时，复杂钢结构体系的热裂纹、冷裂纹及厚板工程中存在的层状撕裂，这三种裂纹是最容易出现的裂纹形式。

2.1 热裂纹判定及产生机理分析

（1）裂纹判定：在焊接结晶过程中，在较高温度下出现的裂纹，称之为热裂纹。热裂纹常见有两种：结晶裂纹和液化裂纹。结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂；而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重熔，在收缩力的作用下产生的裂纹。（2）产生机理：结晶裂纹是在选用低合金高碳钢结构时，当所选钢材C、S、P含量较高时，在焊缝结晶过程中低熔点共晶体量较多，会在初次结晶的晶体之间形成晶间液膜，当熔池冷却收缩时，被液体分割的晶体边界就会被拉开而形成裂纹；液化裂纹是焊接时母材晶体本身未发生熔化，而晶界的低熔点共晶物则已完全熔化。当焊接熔池冷却时，焊缝应变速度较高，如果这些低熔点共晶物未完全重新凝固之前，接合区就已经受到较大应变，则在这些晶界上就会出现裂纹。

2.2 冷裂纹判定及产生机理分析

（1）裂纹判定：冷裂纹一般是在焊缝冷却过程中温度降到马氏体转变温度范围内（300-200℃以下）产生的。可以在焊后立即出现，也可在焊后较长时间才出现，故也称为延迟裂纹。一般在低、中合金钢焊接区域位置比较常见。必须要注意的是，由于冷裂纹大多不是立即出现，而是经过一段时间后才会逐步出现，因此其安全隐患比较大。（2）产生机理：首先，在钢结构焊接中，扩散氢的存在和浓集是引起冷裂纹的重要因素之一，在实际焊接中，氢溶解在焊缝金属中，经过一段时间冷却凝固后，氢溶解度不断下降，使得氢无法向外溢出残留在焊缝金属中，造成氢饱和，形成一定的应力[2]。从而产生裂纹。其次，焊接接头拘束度对焊接冷裂纹也有一定的影响，它使得焊接接头存在着较大的拉伸应力而引起冷裂纹。

2.3 层状撕裂判定及产生机理分析

（1）裂纹判定：在钢结构焊接中，层状撕裂主要包含两种：一种是在钢结构焊缝根部或脚趾处位置出现裂点，并以此为中心向四周扩展。另外一种就是焊接热影响区分布，主要是指焊接中出现的收缩应力引起较强的拉伸，导致非金属杂物不断扩散而引起的。（2）产生机理：含S、P等杂质较高的钢板内部存在条状夹杂物，夹杂物本身强度低且与基体金属的结合强度低，在焊接拘束应力，焊接残余应力和载荷拉应力作用下就产生层状撕裂。另外，焊接热影响区的氢脆作用和应变时效脆化对层状撕裂也起一定的促进作用。

3、建筑钢结构焊接裂纹有效预防措施分析

3.1 热裂纹预防措施

（1）选用合格的钢材和焊接材料，来降低易偏析元素和有害杂质的含量，特别是碳、硫、磷的含量。(2)采用碱性焊条和焊剂，以降低焊缝金属中的杂质含量，改善结晶时的偏析程度。（3）采用合适的坡口形式，采用多层多道焊接方法，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹。（4）采用合理的焊接顺序和方向，采用较小的焊接线能量，收弧时填满弧坑等工艺措施。

3.2 冷裂纹预防措施

（1）选择合理的焊接规范和线能量，改善焊缝及热影响区组织状态，如焊前预热、控制层间温度、焊后采取措施缓冷等以加快氢分子逸出。（2）采用碱性焊条或焊剂，以降低焊缝中的扩散氢含量。（3）焊条和焊剂在使用前应严格按照规定的要求进行烘干，认真清理坡口和焊丝上的油污、水分和锈斑等脏物，以减少氢的来源。（4）提高钢材质量，减少钢材中的层状夹杂物。（5）采取可降低焊接应力的各种工艺措施。

3.3 层状撕裂预防措施

层状撕裂属于内部低温开裂，从表面来看很难发现，甚至采用无损检测NDT技术，发现难度也比较大，就算及时发现，其修复难度也比较大，且修复成本比较高。因此层状撕裂在钢结构焊接中，属于一种危险性大的缺陷[3]。预防这种缺陷的措施：①设计选材，除了要满足抗冷裂条件外，还要尽可能选择抗层状撕裂性好的Z向钢材为主。②在结构节点设计中，要合理选择接头形式与坡口形状，降低焊接接头Z向拘束与焊接残余等应力。在满足受力基础上，尽可能缩小焊接尺寸与焊缝截面面积，降低热影响产生的脆化作用。③在焊接工艺选择方面，对于预热、加热与层间控制等温度要进行合理选择，降低母材热影响的脆化作用；确保焊接顺序的合理性，严格控制焊接热线能量，利用多层多道焊技术，使板厚拘束度与焊接残余应力得到有效缓解。